破碎帶中“Y”形礦體的安全采礦方法研究

王 春 王懷彬

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作454000）

礦業(yè)是國民經濟的基礎，賦存條件復雜礦床的開采是未來人類面臨的挑戰(zhàn)。目前，基于礦區(qū)工程地質條件、環(huán)境地質條件、水文地質條件及礦體特征，金屬礦床開采可供選擇的采礦方法有空場法、充填法、崩落法［1-2］。當?shù)V巖較穩(wěn)固時，首選空場法進行開采，如劉建龍等［3-4］研究緩傾斜薄礦脈的開采技術條件，提出采用脈內布置運輸巷道的全面采礦法、傾斜分條全面采礦法進行開采。如礦巖穩(wěn)固性極差、地表不允許塌陷時，首選充填法進行開采，如張永利等［5-6］研究了獲各琦銅礦、李樓鐵礦的開采技術條件，提出分別采用上向水平分層充填法、分段鑿巖階段嗣后充填法進行開采。針對地表允許崩落的礦巖極不穩(wěn)固的礦床，可考慮采用崩落法進行開采，如譚寶慶等［7-8］提出采用無底柱分段崩落法、偽傾斜壁式崩落法開采礦巖不穩(wěn)固的緩傾斜礦體。當單一采礦法不能滿足礦床開采時，可采取多種方法聯(lián)合進行開采，如于清軍等［9-10］提出的階段深孔空場崩落法、無底柱分段空場崩落法。

綜上所述，關于礦體回采的采礦方法研究較多，研究成果可為各種礦床的開采參考借鑒，但考慮礦體形狀的研究還較少。以某鐵礦破碎帶中呈“Y”形的II號礦體為研究對象，探討安全、可靠、經濟的采礦方案，為類似礦山的開采提供參考依據(jù)。

1 開采技術條件

1.1 礦體特征

某鐵礦處于藏滇褶皺系康滇地軸南緣武定—石屏隆斷束的紅河深大斷裂以北，礦區(qū)及毗鄰地帶斷層、褶皺構造發(fā)育。該礦區(qū)F4斷層西部的II號礦體是主要的開采對象，其沿F4斷層向北錯開30余米，呈東—西向展布。II號礦體總體長約90 m，厚2～23 m，平均厚13.3 m，控制深度約為80 m，礦體傾角隨F4斷層傾角的變化而變化，一般傾角45°～55°，傾向北西15°～25°。礦體產出于大龍口組（Pt2d）灰?guī)r破碎帶中，呈“Y”形分布，如圖1所示。

圖1中顯示，II號礦體上部分支的左側厚度、傾角都較小，右側厚度較大，且近似垂直分布。分支礦體開采時互相影響的賦存高度為1 480～1 530 m。

1.2 礦體及其頂、底板穩(wěn)定性

礦區(qū)的II號礦體賦存的巖層由昆陽群大龍組碳酸鹽巖組成，其巖性抗壓強度較大、致密性較好，僅針對該巖層時，可認為巖層穩(wěn)固性好，有利于礦床的開采。但II號礦體產于破碎帶中，使對礦床開采造成直接影響的礦體、頂板、底板的穩(wěn)定性產生變化，需重點考慮。

（1）礦體穩(wěn)定性分析。礦區(qū)具有工業(yè)價值的鐵礦體主要以塊狀褐鐵礦為主，其次為碎塊狀褐鐵礦、土狀褐鐵礦，另外在塊狀鐵礦中可見少量氧化銅，分布于流失孔邊緣，呈薄膜狀。礦石結構主要以流紋結構、蜂巢狀、棱角狀結構為主，僅少部分呈細粒狀、松散土狀結構，總體來說礦石結構較致密。礦石的構造以塊狀構造為主，其次為碎塊狀、條帶狀構造，總體來說礦體內的節(jié)理裂隙不發(fā)育。由于受破碎帶的影響，礦體局部地段的裂隙貫通程度大，造成其穩(wěn)定性較差。綜上所述，可認為該礦區(qū)II號礦體的穩(wěn)定性屬于中等類型。

（2）頂板、底板穩(wěn)定性分析。礦區(qū)頂板巖性多為灰、淺灰色中—厚層狀、部分塊狀的粉晶灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r，少量的為泥質灰?guī)r；底板巖性多為泥質板巖、絹云板巖；II號礦體上部分支所夾區(qū)域的巖性類似于礦區(qū)頂板的巖性，以灰?guī)r、泥質灰?guī)r為主。僅考慮巖性，礦區(qū)頂板及礦體分支所夾巖石的抗壓強度較大，堅硬程度中等，有利于礦體的開采；礦區(qū)底板巖石的抗壓強度則較小，一般為15～30 MPa，不利于礦體的開采。考慮破碎帶的影響時，由于礦區(qū)斷裂構造發(fā)育，且鐵礦體賦存于破碎帶中，沿斷裂帶上、下盤的巖石裂隙也非常發(fā)育，構造降低了巖層的完整性和巖體的強度。因此，綜合考慮各種因素，認為II號礦體頂板穩(wěn)固性較差，底板穩(wěn)固性極差，嚴重制約礦體的開采。

2 礦體回采時面臨的難題

“Y”形礦體開采時，礦體、圍巖的穩(wěn)固性是必須考慮的因素，除此之外，礦體形狀也是不可忽略的，復雜的產狀常增加礦體開采的難度。針對某礦呈“Y”形分布的II號礦體的賦存條件，分析開采時可能遇到的難題如下。

（1）采礦方法的選擇難度大。由于“Y”形礦體上部分支的傾角、厚度等存在較大的差異，造成采礦方法難以確定。

（2）圍巖穩(wěn)定性控制難度大?！癥”形礦體上部分支所夾區(qū)域可認為即是礦體的頂板、也是礦體的底板，礦體2分支的開采都影響其穩(wěn)定性，該區(qū)域是否處理得當，直接制約礦體開采時的安全性。

（3）礦體自身相互制約?！癥”形礦體上部各分支開采的順序如果不協(xié)調，可能造成部分礦體無法進行開采，甚至造成安全事故，影響礦山安全高效生產。

3 采礦方法探討

3.1 采礦方法選擇

針對“Y”形礦體回采時存在的問題，結合某礦II號礦體的具體特征，在經濟可行、安全可靠的基礎上選擇適宜的采礦方法。由于II號礦體的頂、底板穩(wěn)固性較差，且上部分支彼此影響，如采用空場法進行開采時，安全得不到保障，易產生采區(qū)頂板冒落事故，而崩落法和充填法可有效提高該礦體開采時的安全度。結合類似開采條件的礦山采礦方法，選擇安全可靠、技術可行、經濟合理的分層崩落法和下向分層充填采礦法進行對比分析，見表1。

由表1分析得，下向分層充填采礦法在損失率、通風條件等方面都優(yōu)于分層崩落法，但考慮該礦生產規(guī)模較小，建立充填系統(tǒng)投資較大的因素，分層崩落法可優(yōu)先選擇。從貧化率、工藝復雜程度、礦塊生成能力等方面考慮，分層崩落法要優(yōu)于下向分層充填采礦法。從安全角度分析，2種采礦方法都可滿足該礦“Y”形礦體的開采。綜上分析，認為分層崩落法更適合開采該礦的II號礦體。

3.2 采礦方法設計

3.2.1 采場結構參數(shù)

由于II號礦體呈“Y”形，上部分支部分相互制約，結合礦體的具體特征，沿礦體走向連續(xù)布置采場，其長度設置為50 m。根據(jù)II號礦體的賦存標高，采場垂直高度取50 m，每一采場布置人行材料通風井、溜礦井各2條便可滿足采礦要求。采場結構參數(shù)詳見圖2。

由圖2（b）、（c）可見，人行通風材料井和溜礦井布置在中段運輸巷道的同一側，分層聯(lián)絡道交錯布置在2井筒的兩側，同一側的分層聯(lián)絡道垂直相距2.5 m，此種布置方式，可一定程度上提高巷道圍巖的穩(wěn)固性，有利于礦體的回采。

3.2.2 回采順序

“Y”形礦體上部分支進行開采時，如2分支同時下行推進，接近礦體分支處會出現(xiàn)礦體或頂板崩塌的現(xiàn)象；若先采上盤分支礦體，則下盤分支礦體的穩(wěn)定性受到影響；先采下盤分支礦體明顯不合理。為協(xié)調2分支的開采順序，確保安全高效開采，設計分層分段進行回采。先分層交替回采“Y”形礦體的中上部分，如圖2（a）中的虛線范圍內的礦體，再采上盤分支礦體中下部分，最后回采下盤分支礦體的中下部分，具體分段開采的順序見圖2（a）。

由于II號礦體上部2分支厚度不同，回采工作面的布置方式分2種形式，一是礦體較薄時，沿礦體走向布置回采工作面；二是礦體厚度較大時，垂直礦體走向布置回采工作面。II號礦體的下盤分支常沿礦體走向布置回采工作面，而上盤礦體設置為垂直走向布置工作面，見圖2（b）。

3.2.3 回采工藝

由于該礦II號礦體的頂、底板穩(wěn)固性較差，且礦體形狀復雜，呈“Y”形，礦體回采時須嚴格遵循設計的回采順序。為避免采礦過程中頂板坍塌影響進度，回采工作面都由采場兩端向分層聯(lián)絡道的方向推進。整個回采過程中涉及了鑿巖、爆破、出礦、鋪設假頂、放頂?shù)取?/p>

（1）鑿巖。該礦礦體總體來說結構致密，局部地段裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性差；圍巖受破碎帶的影響，多為裂隙發(fā)育的灰?guī)r?？紤]礦山的生成規(guī)模較小，選用YTP-26型氣腿式鑿巖機鉆鑿直徑40 mm、孔深1.2～1.5 m的水平孔便可滿足礦山生產需求。

（2）爆破。水平鉆孔鉆鑿完成后，將直徑32 mm的藥卷裝入鉆孔內，放入導爆管、堵塞孔口、布設好起爆網絡后，進行毫秒微差爆破。

（3）出礦。采用人推礦車的形式，將回采工作面爆落的礦石運至礦石溜井，然后經安裝于溜井底部的振動放礦機向0.5 m3側卸式礦車內進行放礦，最后由電機車牽引運礦。

（4）鋪設假頂。當回采進路礦石采完后，需進行采場的鋪底工作，鋪底質量的好差直接影響下一分層作業(yè)的安全性及經濟效益。設計采用金屬網木地梁假頂，選用直徑為200～250 mm的木地 沿回采巷道進行鋪設，地長度3～3.5 m，間距0.6～1.0 m，搭接長度不小于300 mm，搭接處用鐵絲捆扎。金屬網鋪設在木地的上部，最后在金屬網上鋪設1～2層直徑為100～120 mm的雜木或竹片構建假頂。

（5）放頂。為確保放頂安全，準備放頂前，回采工作的的工作人員、設備等需撤離，待一切準備完畢后，采用炸斷棚腿的方式進行放頂。

3.2.4 采場通風

該礦II號礦體開采時，每個采場配置4臺局扇輔助通風，每個分支配2臺，采用壓抽混合式通風。由于分層崩落法常采用獨頭進行作業(yè)，因此通風需嚴格進行控制，確保采場內的風質、風量滿足生產需求。采場所需新鮮風流在主風機形成的風壓作用下，由本中段運輸平巷、裝礦穿脈進入人行材料通風井下段后，借助安裝在此處的局扇利用風筒經分層聯(lián)絡道和分層回采巷道壓入回采進路；風流洗刷工作面后，污風由安裝在人行材料通風井附近分層聯(lián)絡道內的局扇抽入人行材料通風井上段，最后經上中段裝礦穿脈、上中段運輸平巷排出。具體的采場通風線路圖見圖3。

3.3 采礦方法試采結果及分析

3.3.1 試驗采場主要技術經濟指標

為驗證分層崩落采礦法是否適用于該礦“Y”形II號礦體的回采，在1 480 m中段設置1個采場進行工業(yè)試驗。試驗采場采用三班制進行作業(yè)，每班8 h，統(tǒng)計分析60個工作日試驗采場的主要技術經濟指標，見表2。

由表2得，試驗采場的主要技術經濟指標可以滿足礦山“Y”形II號礦體的回采，能取得一定的經濟效益。

3.3.2 試采結果分析

經試采采場作業(yè)調查得，設計的采場結構參數(shù)、回采順序可以滿足該礦“Y”形II號礦體的開采。采場通風的設計也可滿足井下作業(yè)的需求。該礦分層崩落法的設計可有效避免“Y”形礦體開采時圍巖穩(wěn)固性難以控制、礦體分支相互制約的難題，有效地提高了該類礦體開采時的安全性，同時該采礦方法的損失率、貧化率較低，增加了礦山的資源利用率，提高了經濟效益。但缺點是采切比、木材消耗量、勞動強度等較大，制約了礦塊的生產能力。總體來說，設計的分層崩落法適宜于開采頂、底板穩(wěn)固性較差的“Y”形礦體。

4 結論

（1）分析某礦“Y”形礦體的開采技術條件，提出回采時面臨采礦方法選擇難度大、圍巖穩(wěn)定性控制難度大、礦體上部分支相互制約的難題。

（2）針對“Y”形礦體開采時面臨的難題，提出采用分層崩落法或下向分層充填采礦法進行開采，經技術經濟指標對比得出分層崩落法更適合小型礦山“Y”形礦體的開采。

（3）基于“Y”形礦體的特征，設計了分層崩落法的采場結構參數(shù)、回采順序、通風方式等，并經采場試采工業(yè)試驗證明所設計的分層崩落法適合回采頂、底板穩(wěn)固性較差的“Y”形礦體。